H.265HEVC视频编码率失真优化技术研究

H.265/HEVC视频编码率失真优化技术研究
随着信息与多媒体技术的飞速发展,各类视频应用尤其是高清视频应用越来越广泛地出现在人们的日常生活和工作中。

而由此带来的视频高清化和高帧率化趋势对视频的压缩性能提出了更高的要求。

为此,两大国际标准化组织ITU-T VCEG与ISO/IEC MPEG于2013年共同推出了新一代高效视频编码标准H.265/HEVC。

与上一代视频编码标准H.264/AVC相比,H.265/HEVC使用了更加灵活的块划分方式并采用了大量更为先进的编码技术,因而其编码性能较之前者能够提高一倍左右,但其编码复杂度也随之大幅提升。

本文基于H.265/HEVC视频编码标准,主要研究了其编码过程中的率失真优化技术以及速率控制技术,提出了一种率失真优化量化(RDOQ)技术的快速实现方法、一种考虑视频帧间内容依赖性的自适应量化参数(QP)分配方法以及一种考虑视频内容特性的帧级比特分配方法。

主要研究成果包括:1.针对H.265/HEVC中率失真优化量化(RDOQ)技术复杂度过高的问题,提出了一种快速RDOQ实现方法。

首先,通过分析多个可选量化值对应的量化失真与编码比特数,本文对各非零变换系数的可选量化值数目进行了一定程度的限制。

其次,本文算法通过计算不同可选量化值失真与编码比特数之间的差异来选取最优量化值,从而避免了分别计算多个可选量化值的率失真代价;最后,在分析H.265/HEVC中残差系数的熵编码过程的基础上,提出了一种基于自信息量的CABAC快速比特估计算法,用于快速计算不同可选量化值编码比特数的差异。

实验结果表明,与HM中原有的RDOQ算法相比,本文提出的快速算法可平均降低74.7%
的计算复杂度,而编码性能平均只损失0.58%。

2.结合H.265/HEVC视频编码过程中的全局率失真优化策略,提出了一种考虑视频帧间内容依赖性的自适应量化参数(QP)与拉格朗日因子λ分配方法。

首先,本文在分析帧间预测残差产生过程的基础上提出了一种用于估计帧间内容依赖性强度的模型;其次,利用该模型对H.265/HEVC中的分级B 帧结构各编码层之间的依赖性进行了分析,并依据各编码层在GOP中的重要性得出了各层对应的拉格朗日因子之间的关系;最后,本文利用上述关系以及量化参数与拉格朗日因子之间的关系为各视频帧自适应计算量化参数值。

实验结果表明,与HM默认量化参数设置方式相比,本文提出算法能够获得3.49%的编码性能提升,同时也能够减小编码视频的质量波动,而编码复杂度仅提升1.37%。

3.针对H.265/HEVC 视频编码器的速率控制模块,提出了一种考虑视频内容特性以及目标速率大小的帧级比特分配算法。

首先,本文通过分析最优比特分配的优化问题得出了影响帧级比特分配结果的两个因素:视频内容特性与目标速率大小;其次,在分析帧内与帧间编码过程的基础上,提出了一种用于反映视频内容特性的指标;最后,本文分析了视频内容特性、目标速率大小以及分配权值三者之间的关系,并在此基础上建立了考虑视频内容特性和目标速率大小的帧级比特分配模型,用于实现帧级比特分配。

实验结果表明,与HM现有的比特分配算法相比,本文提出算法能够获得5.23%的编码性能提升,同时也能减小不同GOP之间的码率波动,而编码复杂度仅增加0.41%。